Fadiga dos materiais compósitos de alta performance

Os materiais compósitos são conhecidos por ter uma ótima resistência à fadiga, principalmente os compósitos de alta performance reforçados por fibras longas de carbono, vidro, boro ou Kevlar. E é graças a essa resistência excepcional que eles são muito utilizados pela indústria aeronáutica. Segundo BATHIAS, "A relação σD /Rm entre o limite de resistência a fadiga para vida considerada infinita (σD) e a

resistência à tração (Rm) é sempre superior à 0,4 e pode atingir 0,9 para esses materiais. Esse valores são

surpreendentes comparados com aqueles dos metais e ligas (0,3 o alumínio e 0,4 para o ferro e suas ligas). Porém o mais notável está na resistência à fadiga dos materiais compósitos entalhados (com furos e entalhes), onde o fator de fadiga do entalhe Kf entre o material sem e com entalhe é igual ou inferior a

1. Isso significa, à grosso modo, que esse materiais compósitos não são sensíveis ao efeito do entalhe sob solicitações cíclicas [8]". No entanto é importante frisar que os materiais compósitos não são totalmente imunes à fadiga e que dependendo da fibra, da resina e do empilhamento das camadas, a

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sua resistência à fadiga varia bastante. Além disso, o dano por fadiga dos compósitos sob solicitações de compressão ou de cisalhamento é mais severo que dos metais.

Ao contrário do formato hiperbólico das curvas de resistência à fadiga para a maioria dos materiais metálicos, para os compósitos essas curvas em coordenadas logarítmicas têm um formato bem plano e linear. Atribui-se a concavidade da curva de resistência à fadiga dos metais a sua plasticidade bem pronunciada, bem diferente dos compósitos, nos quais o comportamento monótono é quase linear. É possível observar alguns exemplos de curvas de resistência à fadiga nas figuras 18 e 19.

Figura 18 Curva de Wôhler para uma liga de alumínio.

Figura 19 Curva de fatiga oligocíclica para compósitos com fibra de vidro e com fibra de carbono [8], a esquerda; Curva (S, N)

para um compósito carbono/epóxi [0/±30]3s em tração e compressão [8], a direita.

Uma comparação entre a fadiga em tração dos compósitos e das ligas metálicas é feito por BATHIAS: "sem entrar em muito detalhe, é interessante apresentar a grande diferença que existe entre a resistência à fadiga das ligas de alumínio de alta resistência com a dos compósitos quase isotrópicos com fibra de carbono, comparação feita em tração repetitiva de 250MPa para o alumínio e 450MPa para

o compósito, com uma relação σD /Rm respectivamente de aproximadamente 0,3 e 0,7. Ao ter-se conta

da densidade do compósito que fica em torno de dois terços da do alumínio, mais uma vez a vantagem está no material compósito [8]."

Algumas observações feitas por SOLA sobre a fadiga dos compósitos, são ainda importantes para enriquecer esta revisão bibliográfica: "Do ponto de vista do engenheiro aeronáutico, a fadiga continua ainda um elemento raramente usado no dimensionamento de componentes em materiais metálicos, pois ela é em geral ofuscada pelos danos muito mais severos consequentes de impactos na estrutura estratificada. (...) Além disso, as solicitações cíclicas de compressão e de cisalhamento, ou seja, mais em geral as solicitações cíclicas multiaxiais, sofridas por todos os materiais compósitos graças a sua anisotropia, conduzem a um dano difuso e generalizado podendo reduzir significativamente o seu limite de ruptura. Para as peças rotativas, encontradas na mecânica e nos rotores de helicópteros, o conhecimento e a maestria deste fenômeno são então primordiais. Assim, de forma mais global, a fadiga dos materiais compósitos é hoje um assunto de estudo para vários pesquisadores [11]."

É também muito importante poder prever de maneira confiável o ciclo de vida de peças utilizadas por longos períodos em ambientes com condições severas, as quais têm influência não negligenciável na vida útil dos materiais compósitos.

2.7.1 Razão de Carga R

Um detalhe muito importante nos ensaios cíclicos é a razão ou fator de carga R. Esse parâmetro define o carregamento dinâmico aplicado em um ensaio de fadiga. A razão utilizada é definida como:

.

De acordo com seu valor, diversas regiões podem ser definidas, como mostrado na figura 20.

2.7.2 Mecanismos de dano, defeitos e fenômenos de falha

Segundo SOLA [11], os materiais metálicos em fadiga são danificados a nível microscópico. Isso é consequência do deslocamento dos átomos da estrutura cristalina e dos sistemas de deslizamento ligados à plasticidade do material, e ocorre geralmente próximo à superfície do material. Nos materiais compósitos, que podem ser comparados a estruturas, distingue-se diferentes escalas de defeitos e descontinuidades:

Na escala microscópica ocorre essencialmente a descoesão de fibras/matrizes (debonding);

Na escala mesoscópica, ou seja, na escala das camadas dos estratificados compósitos, tem-se fissuras intralaminares, ruptura de fibras e delaminagens. Os defeitos são apresentados na figura 21.

Figura 21 Mecanismos de danificação em materiais compósitos [11]. 1*Ruptura de fibras / 2*Fissuração das camadas / 3*Delaminagem

É preciso privilegiar, para o estudo dos mecanismos de dano dos materiais compósitos, a escala mesoscópica, porém os diferentes fenômenos ocorrem geralmente aos pares, o que complica o seu estudo. A geração de danos nos compósitos depende de um número considerável de fatores, entre eles:

• O tipo das fibras; • O tipo da resina;

• A estrutura de reforço (fibras unidirecionais, trançadas, tecidas); • O empilhamento;

As condições ambientais (principalmente a temperatura e a umidade); • As condições de carregamento (frequência, razão de carga

, condições limites, etc.).

A fadiga dos compósitos é igualmente diferente daquela dos metais, em relação à cinética dos macanismos de dano. Assim, os materiais compósitos submetidos a solicitações cíclicas apresentam fissuras em sua matriz, desde os primeiros ciclos de dano, entretanto o progresso ocorre de maneira lenta.

A um grande número de ciclos, a fadiga é um fenômeno controlado mais pelo comportamento da matriz e da interface fibra/matriz. Assim, é preciso ocorrer primeiro a danificação da matriz, impedindo que ela não possa mais cumprir totalmente o seu papel de unir, manter e transmitir as cargas às fibras,

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para que então ocorra a ruptura das fibras e as delaminagens. Pode-se ver um gráfico esquemático comparando a danificação em fadiga dos matais e dos compósitos na figura 22.

Figura 22 Danificação dos materiais compósitos e metálicos em fadiga [11].

2.7.3 Efeitos de entalhes

Segundo SOLA: "Em geral, praticamente não existe fator de concentração de tensão em fadiga (Kf), em placas compósitas. De fato, Kf é mesmo inferior à 1 sobre uma placa furada quase isotrópica compósita em fibras de carbono, e próximo de 2,5 para uma placa com as mesmas dimensões em alumínio, sob solicitações de tração-tração. Esta quase insensibilidade ao efeito de entalhe está associada às danificações que sofrem os compósitos. Essas danificações, que não são tão localizadas como nos metais, têm o efeito de relaxar as tensões nas bordas do entalhe [11]."

Vários autores demonstram que a presença de um furo ou de um entalhe em um corpo de prova está associada a um aumento da resistência residual em fadiga, e também que em vários casos é observado este aumento em corpos de prova que são sensíveis ao entalhe em estática. É assim colocado em evidência a transição que se opera em fadiga entre a sensibilidade e a insensibilidade ao efeito do entalhe, para os metais e para os compósitos respectivamente.

2.7.4 Comportamento dos compósitos em fatiga

Como já explicado, o comportamento da matriz domina os mecanismos de ruptura em fadiga dos materiais compósitos, enquanto que as fibras permanecem praticamente insensíveis às solicitações cíclicas.

SOLA também descreve na sua tese [11] que a danificação em fadiga dos materiais compósitos é caracterizada por três fases, essas que podem ser vistas na figura 23:

• Uma primeira fase que termina à aproximadamente 20% do número de ciclos para ruptura em fadiga Nf, durante a qual a matriz começa a acumular microfissuras de maneira rápida.

• Uma segunda fase, muito mais longa, durante a qual a acumulação de microfissuras continua, mas se estabiliza. A matriz é então saturada de microfissuras (CDS - Critical Damage). As fissuras transversais que atingem as camadas adjacentes começam a gerar delaminagens.

• Uma terceira fase, bem curta (cerca de 10% do Nf) durante a qual a danificação apresenta uma evolução catastrófica, com a ruptura de fibras, delaminagens e longas fissuras matriciais.

Figura 23 Evolução da danificação em função da porcentagem da duração de vida em fadiga de Compósito unidirecional [11].